航天制導(dǎo)導(dǎo)航與控制實驗課程教學(xué)改革探索

摘 要 以卓越工程師培養(yǎng)為目標(biāo)，結(jié)合北京航空航天大學(xué)航天制導(dǎo)導(dǎo)航與控制技術(shù)實驗室現(xiàn)有資源，闡述提升學(xué)生工程實踐能力的專業(yè)實驗室教學(xué)改革路徑。介紹自研自制設(shè)備在專業(yè)實驗教學(xué)中的推廣應(yīng)用，設(shè)計三段式多元化實驗課程教學(xué)體系，完善實驗課程的評價考核體系。結(jié)果表明，航空航天類專業(yè)實驗室需要進(jìn)一步強(qiáng)化科研成果向教學(xué)的轉(zhuǎn)化力度，并要合理發(fā)揮多元化實驗教學(xué)的優(yōu)勢，為培養(yǎng)航空航天類專業(yè)高層次、創(chuàng)新型的人才提供條件保障。

關(guān)鍵詞 教學(xué)改革；實驗教學(xué)；智慧教學(xué)平臺；虛擬仿真實驗室

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）20-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.20.151

0 引言

為深入推進(jìn)卓越工程師培養(yǎng)改革，落實卓越工程師培養(yǎng)要求，2022年9月27日，首屆卓越工程師培養(yǎng)高峰論壇在北京航空航天大學(xué)舉辦?！白吭焦こ處熃逃囵B(yǎng)計劃”的主要特點之一是通過實踐強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院作為學(xué)校航天類人才培養(yǎng)的重點學(xué)院，一直非常重視學(xué)生的實踐教學(xué)。

航空航天專業(yè)是理論性和工程性很強(qiáng)的工科專業(yè)，其人才培養(yǎng)的質(zhì)量很大程度上取決于學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力，而這些能力的培養(yǎng)依賴于專業(yè)課程的配套實驗教學(xué)環(huán)節(jié)和實踐環(huán)節(jié)[1]。實驗教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的重要手段，在實現(xiàn)卓越工程師自主培養(yǎng)方面具有不可替代的作用。教學(xué)實驗室作為實驗教學(xué)的重要載體，是學(xué)生工程能力培養(yǎng)的重要場所，因此，多數(shù)高校都非常重視專業(yè)教學(xué)實驗室的建設(shè)[2-3]，并取得了一系列可供借鑒的建設(shè)經(jīng)驗和教學(xué)成果。

航空航天專業(yè)作為工程實用性很強(qiáng)的專業(yè)，其實驗教學(xué)改革同樣取得了相當(dāng)多的成果[4-6]。許錦等[7]構(gòu)建了一套面向航天專業(yè)人才實踐能力培養(yǎng)和價值塑造的“三全育人”實踐體系，該體系充分發(fā)揮了實踐教學(xué)在航天人才培養(yǎng)中的優(yōu)勢，能為航天專業(yè)新工科建設(shè)發(fā)揮積極作用。李勇等[8]通過與英國航空專業(yè)作對比，提出對航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)課程虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)需求。尹肖云等[9]提出基于BOPPPS模式的飛行原理實驗教學(xué)方案，通過多環(huán)節(jié)設(shè)計激發(fā)學(xué)生的持續(xù)專注力，并通過趣味化設(shè)計、激勵式設(shè)計促進(jìn)學(xué)生自主思考，提高動手動腦解決問題的能力。賈高偉等[10]針對航空航天專業(yè)的電子信息實驗課進(jìn)行詳細(xì)的課程內(nèi)容設(shè)計和改革，提出基于CDIO的課程綜合構(gòu)思，創(chuàng)新實驗效果檢驗和評價方案，充實了高校航空航天專業(yè)實踐教學(xué)改革案例庫。

航空航天專業(yè)的研究對象包括火箭、衛(wèi)星、飛機(jī)、導(dǎo)彈、高速飛行器等，這類對象的特點是實驗危險性高、設(shè)備建設(shè)或研制成本昂貴，這導(dǎo)致大多數(shù)航空航天類院校缺乏相應(yīng)的實驗教學(xué)條件，有些院校雖有一定數(shù)量的教學(xué)實驗室，但大部分實驗對象均為計算機(jī)模擬對象，導(dǎo)致學(xué)生對研究對象的認(rèn)識缺乏直觀性，這也是一些航空航天類專業(yè)引入虛擬仿真實驗的重要原因之一。且相對其他專業(yè)來說，航空航天類專業(yè)大多涉及國防安全的重要領(lǐng)域，對接觸人員有身份要求，這也給航空航天類專業(yè)人才的實踐培養(yǎng)帶來了挑戰(zhàn)。因此，有必要進(jìn)一步加強(qiáng)專業(yè)實驗室的建設(shè)，建立開放有效的運行機(jī)制，切實提高學(xué)生的工程實踐能力。

1 實驗室現(xiàn)狀分析

北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院航天制導(dǎo)導(dǎo)航與控制技術(shù)實驗室建于2012年，擁有導(dǎo)彈制導(dǎo)控制半實物仿真系統(tǒng)，能夠開展飛行器三維運動、姿態(tài)控制和軌跡設(shè)計等研究領(lǐng)域的專業(yè)實驗和實踐教學(xué)。

目前，由于長時間使用導(dǎo)致設(shè)備老化，加上前期的校區(qū)搬遷帶來的拆裝不到位等問題，導(dǎo)致本專業(yè)實驗室的實驗教學(xué)存在兩個問題：1）專業(yè)實驗設(shè)備由于老化和拆裝不到位等問題，導(dǎo)致部分設(shè)備處于維修或損壞狀態(tài)無法使用，以致無法滿足現(xiàn)有實驗教學(xué)和創(chuàng)新實踐需求；2）隨著智能化的快速發(fā)展，原有的實驗設(shè)計內(nèi)容已無法適應(yīng)現(xiàn)在的專業(yè)發(fā)展水平，實驗教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)體系亟須緊跟時代需求進(jìn)行改革。

本文以航天制導(dǎo)導(dǎo)航與控制實驗課程為例，對原有的實驗教學(xué)體系進(jìn)行改革，探索構(gòu)建以學(xué)生自主能力和實踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)的課程教學(xué)體系，從教學(xué)條件建設(shè)、教學(xué)體系優(yōu)化、考核方式改進(jìn)三個方面開展實驗教學(xué)改革研究，從而為本專業(yè)人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

2 實驗教學(xué)改革內(nèi)容

2.1 自主研發(fā)實驗設(shè)備，提升實驗教學(xué)水平

隨著“雙一流”建設(shè)的深入推進(jìn)，高校更加關(guān)注儀器設(shè)備自主研制在人才培養(yǎng)、科技創(chuàng)新等方面的作用[11-12]。本專業(yè)的教學(xué)實驗室由于實驗設(shè)備老化、實驗條件有限等問題，現(xiàn)有的實驗教學(xué)內(nèi)容與當(dāng)前的專業(yè)發(fā)展需求和人才培養(yǎng)目標(biāo)有一定距離，缺乏創(chuàng)新性。因此，建設(shè)新的實驗教學(xué)平臺、探討新的實驗教學(xué)方法和教學(xué)體系，激發(fā)學(xué)生興趣是實驗室亟待解決的問題。由此，實驗室的教研團(tuán)隊一直致力于實驗教學(xué)條件的建設(shè)工作，同時也努力進(jìn)行著將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)資源的研究與測試工作，以滿足本專業(yè)實驗教學(xué)的發(fā)展需求和專業(yè)人才實踐能力培養(yǎng)的要求。

實驗室擁有高精度的慣性導(dǎo)航設(shè)備，可以在室內(nèi)的三軸轉(zhuǎn)臺上進(jìn)行導(dǎo)航實驗，但GPS定位需要在室外進(jìn)行。由于三軸轉(zhuǎn)臺的質(zhì)量和體積較大，且需要強(qiáng)電支持，無法移至室外進(jìn)行三自由度導(dǎo)航實驗，因此，實驗團(tuán)隊設(shè)計了方便進(jìn)行室外實驗仿真的四自由度仿真試驗臺，該試驗臺可以進(jìn)行三個自由度的姿態(tài)角運動，同時可以進(jìn)行高度方向的上下運動，若再加上人為推動小車在室外進(jìn)行平面移動，就可以更加真實地模擬飛行器飛行過程中三個方向的姿態(tài)角運動和三個方向的位置軌跡運動，使實驗過程更接近真實情況，學(xué)生普遍反映實驗效果很好，學(xué)生的實驗興趣明顯提高。

儀器設(shè)備自研自制的過程本質(zhì)上是理論在實踐中創(chuàng)新和發(fā)展的過程。課程教研團(tuán)隊通過多年的科研成果積累，將科研項目的研究成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化，自主設(shè)計和建成了能在室內(nèi)模擬火箭特性的火箭模擬飛行器（圖1），以多個電機(jī)來實現(xiàn)火箭推力， 以此設(shè)計的火箭模擬飛行器飛行控制特性和以真實火箭數(shù)值仿真得到的控制特性基本一致。經(jīng)過一系列的仿真驗證表明，該自研設(shè)備可以用于模擬火箭進(jìn)行飛行控制方面的研究?；诖藢嶒灜h(huán)境，對原有實驗內(nèi)容進(jìn)行了擴(kuò)展，可增設(shè)火箭著陸制導(dǎo)律設(shè)計實驗、火箭剛體姿態(tài)控制實驗、推力矢量冗余控制分配實驗、考慮彈性及晃動的姿態(tài)控制實驗等內(nèi)容。同時，也打通了教學(xué)和科研之間的轉(zhuǎn)化途徑，提升了實驗教學(xué)質(zhì)量和科研水平，使科研成果能夠直接為實驗教學(xué)服務(wù)，提高實驗教學(xué)水平。

2.2 設(shè)計三段式多元化實驗教學(xué)體系，拓展實驗教學(xué)內(nèi)容

實驗室從航天專業(yè)特點和人才培養(yǎng)需求出發(fā)，規(guī)劃設(shè)計了適用于航天專業(yè)人才培養(yǎng)的智慧教學(xué)平臺——尤里卡，平臺框架見圖2，該平臺的兩大核心功能是精準(zhǔn)教學(xué)和師生互動[1]。該平臺通過分析用戶瀏覽視頻、文檔等資源的時長、頻次、收藏等數(shù)據(jù)，根據(jù)學(xué)生興趣推薦其感興趣的同類資源供學(xué)生拓展學(xué)習(xí)，這種方式不僅很好地利用了學(xué)生的碎片化時間，且學(xué)生更易接受，學(xué)習(xí)時長明顯增加。平臺的興趣推薦方式使學(xué)生對自己的興趣方向更加明確，為后續(xù)更深入地對興趣方向進(jìn)行研究探索提供了前提。

航天制導(dǎo)導(dǎo)航與控制實驗課程團(tuán)隊依托該平臺的精準(zhǔn)教學(xué)和互動優(yōu)勢，設(shè)計了課前線上導(dǎo)入、課中實踐深入、課后實驗拓展的三段式多元化實驗教學(xué)體系，優(yōu)化實驗教學(xué)手段，最大化地提升實驗課程的作用，使學(xué)生能夠通過學(xué)習(xí)實驗課程提升動手能力，學(xué)以致用。

1）課前線上導(dǎo)入階段主要是利用尤里卡智慧教學(xué)平臺為學(xué)生提供與實驗課程內(nèi)容相關(guān)的專業(yè)知識講解視頻、課件、相關(guān)文獻(xiàn)、直播課等學(xué)習(xí)資源，通過尤里卡推薦給學(xué)生課前進(jìn)行預(yù)習(xí)；實驗課程教師也可通過視頻拍攝和文字講解等形式將實驗操作步驟、實驗安全、問題思考等內(nèi)容提前制作好，發(fā)布在尤里卡智慧教學(xué)平臺上供學(xué)生課前預(yù)習(xí)和思考交流。與傳統(tǒng)的提前發(fā)送實驗課件和實驗指導(dǎo)書的形式相比，這種預(yù)習(xí)方式更加直觀高效，學(xué)生的預(yù)習(xí)興趣更高、效果更好，且學(xué)生有更多的思考空間，有助于線下實踐課堂的知識深入理解和能力拓展應(yīng)用。同時，課程團(tuán)隊通過搜集整理中國航天人物事跡形成了一套《航天故事會》視頻資料，包括三大系列：航天榜樣故事會、航天精神譜系、航天控制科學(xué)史。同步發(fā)布在尤里卡智慧教學(xué)平臺上，推薦學(xué)生課前學(xué)習(xí)，了解中國航天的發(fā)展歷程和杰出人物等事跡。這樣的課程思政方式避免了線下思政教育容易的出現(xiàn)生搬硬套、蜻蜓點水或顧此失彼、鹽水分離等問題，實現(xiàn)了潤物細(xì)無聲的課程思政效果。

2）課中實踐深入階段教師重點講解學(xué)生在預(yù)習(xí)時遇到的共性問題和難點問題，同時通過PBL（Problem-Based Learning，問題驅(qū)動教學(xué)法）實驗?zāi)Ｊ揭氲湫桶咐?，引?dǎo)學(xué)生自主解決問題，重視學(xué)生個體思維和自主思考能力的培養(yǎng)。實踐教學(xué)中，教師將實驗過程以“分—總”的形式進(jìn)行，分實驗培養(yǎng)學(xué)生單獨解決問題的能力，總實驗通過分組方式完成，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力。具體的，通過分實驗的方式將實驗內(nèi)容分為三大部分：導(dǎo)航實驗、控制實驗、制導(dǎo)實驗。每一部分的實驗均涉及本專業(yè)的一個重要研究領(lǐng)域，且每一部分實驗內(nèi)容的設(shè)計都按照“認(rèn)知實驗—原理性實驗—綜合性實驗”這種層層進(jìn)階的方式進(jìn)行，學(xué)生易于上手。最后通過“飛行器自主著陸跟蹤控制”這一綜合性實驗完成導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制三個專業(yè)領(lǐng)域知識的整合，這也滿足了航天導(dǎo)航制導(dǎo)與控制專業(yè)一體化設(shè)計的工程需求。實驗課程中學(xué)生不僅有獨立完成的實驗，也有團(tuán)隊合作完成的實驗，學(xué)生的獨立思考能力和團(tuán)隊協(xié)作能力都得到了培養(yǎng)和鍛煉。

3）課后實驗拓展階段主要通過尤里卡智慧教學(xué)平臺和引入外部優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗資源實現(xiàn)。課后，教師通過尤里卡智慧教學(xué)平臺發(fā)布課后思考題目、實驗過程討論題目等，通過平臺互動功能深化實驗過程和重點知識，加深學(xué)生對實驗內(nèi)容的認(rèn)識和理解。同時，虛擬仿真實驗作為線下實驗的有益補充，其內(nèi)容大部分來自前沿科研和技術(shù)成果，拓展了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的深度與廣度[13]。因此，在課后的拓展環(huán)節(jié)也引入了國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺“實驗空間”（www.ilab-x.com）的虛擬教學(xué)資源。這樣虛實結(jié)合的實驗內(nèi)容設(shè)計，不僅滿足了實驗課程的教學(xué)目標(biāo)要求，彌補了線下實驗教學(xué)硬件資源的不足，同時能夠讓學(xué)生更直觀全面地了解本專業(yè)實驗的特點，也發(fā)揮了國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺的作用。

通過上述三段式多元化教學(xué)體系設(shè)計，形成了如圖3所示的實驗教學(xué)體系，這種教學(xué)體系集成了傳統(tǒng)課堂教學(xué)和線上教學(xué)的優(yōu)勢，極大地提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，已經(jīng)成為高校實驗教學(xué)改革的重要研究方向之一。

2.3 完善課程評價體系，增強(qiáng)學(xué)生自主意識

傳統(tǒng)的實驗課程考核大部分以提交實驗報告的形式進(jìn)行，考核形式單一，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性較低。本課程考核體系突出“以學(xué)生為中心”的過程考核模式，采用過程性和階段性相結(jié)合、形成性評價與終極性評價相結(jié)合的實踐教學(xué)全過程跟蹤評價方法，實現(xiàn)多元化的考核。在實踐教學(xué)過程中，通過階段性地開展學(xué)習(xí)心得交流活動，增強(qiáng)生生之間、師生之間的互動和交流，提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

1）學(xué)生的課前預(yù)習(xí)和思考互動情況，可以通過尤里卡智慧教學(xué)平臺的后臺統(tǒng)計分析功能直接查看，可以查看學(xué)生對某個視頻或文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)時長、頻次等數(shù)據(jù)，同時可以發(fā)布課前實驗過程設(shè)計理論問題思考、航天典型案例問題思考等，以便學(xué)生在預(yù)習(xí)之后進(jìn)行思考，也為后續(xù)的實踐課程作鋪墊。課前預(yù)習(xí)部分成績占總成績的10%左右。

2）課中的實踐環(huán)節(jié)是實驗課程的重要階段，課中設(shè)置了獨立實驗環(huán)節(jié)、分組實驗環(huán)節(jié)，同時加入分組討論、組間問題交流、階段性成果匯報、終極答辯等環(huán)節(jié)，了解學(xué)生對專業(yè)知識的掌握程度。實驗過程不僅培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)知識學(xué)習(xí)能力、實踐能力、解決問題能力、創(chuàng)新能力，同時，通過分組實驗、分工協(xié)作、組件匯報交流等形式，也培養(yǎng)了學(xué)生的PPT展示能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、總結(jié)提煉能力等，這些都是學(xué)生后續(xù)工作或繼續(xù)深造不可或缺的能力。考核結(jié)果不僅看實驗報告和結(jié)論，還要看學(xué)生的實驗過程互動性、參與程度和同學(xué)間的相互評價等過程性表現(xiàn)。課中實踐環(huán)節(jié)的階段性成績占比最高，約占80%。

3）課后環(huán)節(jié)評價主要包括兩部分：一部分是學(xué)生對于實驗過程中的問題的課后思考和交流，主要通過尤里卡智慧教學(xué)平臺的后臺數(shù)據(jù)分析和處理功能查看；另一部分是拓展的虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)，教師可以在國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺上，依托平臺提供的國防科大開發(fā)的國家級一流本科課程——飛行力學(xué)（航空制導(dǎo)彈藥制導(dǎo)系統(tǒng)虛擬仿真實驗），結(jié)合專業(yè)實驗課程的具體目標(biāo)和需求，創(chuàng)建一門校內(nèi)虛擬仿真實驗課程，創(chuàng)建的課程可以進(jìn)行課程內(nèi)容的再建設(shè)、班級管理、課程作業(yè)及批改、答疑討論、成績管理等操作，還可以進(jìn)行教學(xué)質(zhì)量分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，學(xué)生的學(xué)習(xí)時長和實驗成績也可以在系統(tǒng)中直接體現(xiàn)。課后環(huán)節(jié)部分成績約占總成績的10%。

3 實驗教學(xué)改革的效果

通過本輪次的實驗課程改革，2023年春季的實驗課教學(xué)效果明顯提高。具體表現(xiàn)在：通過自制或改制實驗設(shè)備拓展實驗內(nèi)容，增加實踐性更強(qiáng)的教學(xué)平臺，學(xué)生實際動手操作的環(huán)節(jié)明顯增加，學(xué)生的整體參與度更高、積極性更強(qiáng)，這也是實驗教學(xué)改革最期望的效果，學(xué)生能通過實踐環(huán)節(jié)更好地理解和運用所學(xué)知識，極大地激發(fā)了專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。

課程設(shè)計的三段式多元化實驗教學(xué)體系，線上多方位的資料學(xué)習(xí)深化了學(xué)生對專業(yè)知識的理解和應(yīng)用，使線下實驗課程的教學(xué)效果明顯提高，學(xué)生對實驗原理等部分在課前已充分掌握，可以把有限的課堂時間都運用在動手實踐上，有效實驗課時增加，學(xué)生的實踐過程更深入具體。同時，引入的線上平臺互動交流方式靈活，學(xué)生互動交流興趣明顯提高，改善了部分學(xué)生不善于面對面交流帶來的線下交流不夠的問題，使學(xué)生有問題可以多途徑地與同學(xué)和老師進(jìn)行溝通。同樣地，三段式多元化實驗教學(xué)體系也為教師提供了更多的教學(xué)手段和資源，構(gòu)建了多種更加靈活多樣的教學(xué)模式，促進(jìn)了教師的創(chuàng)新思維和教學(xué)設(shè)計能力的提高。

此外，虛擬仿真實驗由于不受場地、設(shè)備等的限制，實驗設(shè)計場景真實性、全面性、精確度等方面都明顯優(yōu)于線下實驗，提高了實驗的準(zhǔn)確性。課程通過拓展課后的虛擬仿真實驗部分，使學(xué)生可以隨時隨地地根據(jù)需要進(jìn)行實驗，有效地提高了實驗效率；同時，虛擬仿真實驗部分能夠把專業(yè)實驗中比較危險或難以進(jìn)行實物仿真的部分通過虛擬仿真技術(shù)體現(xiàn)出來，使學(xué)生對本專業(yè)的理解更加全面深入，學(xué)生前期學(xué)到的專業(yè)知識得到拓展應(yīng)用。

4 結(jié)束語

在新時代背景下，加強(qiáng)和完善航空航天類專業(yè)教學(xué)實驗室建設(shè)是一項迫在眉睫的任務(wù)。本文在明確航空航天類專業(yè)特點的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)有實驗課程及其存在的問題，并給出了實驗教學(xué)改革的思路，為航空航天類專業(yè)學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)提供了課程建設(shè)經(jīng)驗。從效果上看，航天類實驗室要充分利用科研成果，實現(xiàn)科研成果的教學(xué)轉(zhuǎn)化，為培養(yǎng)優(yōu)秀的專業(yè)人才提供平臺和支撐。同時，也要合理利用線上教學(xué)平臺和國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺，與線下的實踐教學(xué)互為補充，這種多元化的教學(xué)體系為學(xué)生提供了更加靈活、高效和個性化的教育，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

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[12] 屠美玲，楊阿三，李琰君，等.協(xié)同發(fā)展理念下高校自

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[13] 熊宏齊.基于虛擬仿真的線上線下融合專業(yè)實驗教學(xué)體

系構(gòu)建[J].實驗技術(shù)與管理，2022，39（3）：5-10，25.

*項目來源：2022年北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院教改項目“《航天制導(dǎo)導(dǎo)航與控制實驗》線上線下混合教學(xué)模式探索”（4305086）。

作者簡介：張冉，博士，副教授；張蕊，通信作者，講師。